电子课件新能源汽车驱动电机与控制技术学习情境三新能源汽车驱动电机的发展历史与趋势

学习情境三新能源汽车驱动电机的发展历史与趋势新能源汽车大部分都使用驱动电机作为驱动来源，那么新能源汽车和驱动电机的发展历史是怎样的？各有何发展趋势？学习情景描述学习目标1.了解汽车电气化的历史；2.了解汽车驱动电机的发展历史；3.了解新能源汽车及驱动电机的发展趋势；4.掌握新能源汽车驱动电机的型号规则。工作任务1.在教师的指导下，制订新能源汽车驱动电机的发展历史与趋势的认知计划；2.根据认知计划对新能源汽车驱动电机的发展历史与趋势进行认知。目标和任务一、课前任务单根据查找的资料，完成下列课前任务单（见表3-1）。表3-1新能源汽车驱动电机的发展历史与趋势课前任务单学习内容1.新能源汽车的“三电”指的是（）、（）和（）。2.现在常用的新能源汽车驱动电机有哪些种类？3.新能源汽车驱动电机有哪些方面的发展趋势？资讯一汽车电气化的历史汽车电气化主要分为四个阶段：蒸汽机汽车-电动汽车阶段（1881—1885）、蒸汽机汽车-电动汽车-燃油汽车并行阶段（1885—1925）、燃油汽车独霸阶段（1925—1960）、电动汽车再次复兴-其他新能源技术涌现-影响燃油汽车阶段（1960年至今）。首先全面回顾一下汽车电气化的四段发展历程。学习内容二、相关资讯

1.蒸汽机汽车-电动汽车阶段在这一阶段，烧汽油、柴油的内燃机汽车还未诞生。汽车里的“元老”应该是蒸汽机汽车（见图3-1），第一辆具有一定的实用性的原型车是理查德·特里维希克（RichardTrevithick，1771—1833）在1800年左右发明的。该类汽车在后来曾经与电动汽车一起繁荣过。汉语“汽车”中的“汽”字，就是从蒸汽机来的。二、相关资讯资讯一汽车电气化的历史图3-11870年的蒸汽机汽车19世纪，电池-电学领域出现重要发展的几大标志性事件为：伏打（AlessandroVolta,1745—1827）在1800发明了铜锌电池；法拉第在1831年发现了电磁感应现象。第一辆能在路上跑的电动汽车是爱丁堡人R.Davidson的杰作，发明于1873年，其使用的是一次性的铁锌电池。加斯顿·普朗特在1859年发明了铅酸电池，就是现在电动自行车、汽车里最常用的蓄电池。铅酸电池的出现对人类文明的进步起到了至关重要的推动作用——它是二次电池，即可充可放电，因此人类使用能源尤其是电能的方式有了质的突破。资讯一汽车电气化的历史后来人们使用的各种充电电池技术，都或多或少地参考了铅酸电池。不仅如此，铅酸电池从诞生到现在，其结构与原理一直没有发生太大变化，当然这是由电化学学科的特殊性决定的。伴随着铅酸电池的使用，使用铅酸电池的可以充电的电动汽车就诞生了。1881年，法国人G.Trouve就用普朗特发明的铅酸电池发明了第一辆可充电的电动汽车，这个车型是三轮车，用了两个西门子的电机，车重是160kg，车速可以达到12km/h。在接下来的几年里，比利时、美国等国都开始开发电动汽车，车速20km/h左右，续航里程也不远（几十千米），比现在的电动汽车性能要差得多。资讯一汽车电气化的历史

2.蒸汽机汽车-电动汽车-燃油汽车并行阶段蒸汽机汽车在1885—1925年间改进很大，这与电动汽车的进步、燃油汽车的进步基本是同时的。因此，这个阶段是三种汽车并行阶段。燃油汽车是卡尔·本茨（KarlBenz,1844—1929）于1885年发明的，第一辆是以汽油内燃机为引擎的三轮汽车，如图3-2所示。资讯一汽车电气化的历史图3-2卡尔·本茨发明的早期的燃油汽车

一开始内燃机相关技术还很不成熟，燃油汽车的平顺性很差，噪声、排放、颠簸都是大问题，而电池驱动的电动汽车则要好得多——电动汽车先天平顺性好，噪声小。电动汽车技术也在不断发展，随着技术的提升，在1900年美国汽车市场上，电动汽车的车型比燃油汽车、蒸汽机汽车都多。在接下来的时间里，虽然燃油汽车也在不断发展，但是电动汽车的基础好、技术舒适性好，因此一直是市场的主流。1912年，美国电动汽车达到峰值的30000辆。资讯一汽车电气化的历史知识拓展1但是在这个过程中，燃油汽车技术也在不断进步，竞争也在继续。燃油汽车在这几年中发展出了自动起动器、消音器等设备，这些发明极大地提高了燃油汽车的舒适度。在接下来的几年中，燃油汽车技术进步很快，成本下降也快——1912年时，燃油汽车MODELT的售价为550美元，而电动汽车CENTURYELECTRICROADSTER要卖1750美元。而且就在这个阶段，已经有了油-电混合车型（WOODSGASOLINEELECTRIC，1916）。在第一次世界大战中，燃油汽车开始大规模应用，而且在战场中表现了其性能的稳定性。

3.燃油汽车独霸阶段在这个阶段，燃油汽车大发展，在全世界得到广泛应用，而电动汽车、蒸汽机汽车逐渐淡出历史舞台。图3-3所示为第二次世界大战中美国使用的吉普车。资讯一汽车电气化的历史图3-3第二次世界大战中美国使用的吉普车知识拓展2但是也有两个有趣的例外。（1）日本因为战时油料管制，所以第二次世界大战期间电动汽车用得比较多。（2）在局部地区，电动汽车仍然用于一些近距离运输。

在这个阶段，燃油汽车技术不断发展完善，世界石油供应充足，大家还不关心环保，电池等新能源技术也没有明显进步；而蒸汽机汽车因为使用的是外燃机技术，效率先天不足，很快被淘汰。

1973年的第一次石油危机让人们深切感受到了化石燃料的有限性，因此低排量化、轻量化、电气化等方向开始影响汽车领域，而相关的材料、电力电子（各种半导体技术）、二次电池、燃料电池的发展也得到了更多的支持和重视。中国新能源电动汽车产业始于21世纪初。2001年，新能源汽车研究项目被列入国家“十五”期间的“863”重大科技课题，并规划了以汽油车为起点，向氢动力车目标挺进的战略。2008年，新能源汽车在国内已呈全面出击之势。2008年成为我国新能源汽车元年，当年共销售新能源汽车2400余辆。2009年，在密集的扶持政策出台的背景下，我国新能源汽车进入快速发展轨道。资讯一汽车电气化的历史

2010年，我国加大对新能源汽车的扶持力度。2010年6月1日起，国家在上海、长春、深圳、杭州、合肥5个城市启动私人购买新能源汽车补贴试点工作。2011—2015年,新能源汽车开始进入产业化阶段，我国在全社会推广新能源城市客车、混合动力轿车、小型电动车。2016—2020年，我国进一步普及新能源汽车、多能源混合动力车，插电式电动轿车、氢燃料电池轿车将逐步进入普通家庭。从2018年开始，双积分政策和补贴新政已在逐步发挥作用。2018年，中国新能源汽车产销量均超125万辆，同比增长60%。资讯一汽车电气化的历史1829年，美国电学家亨利对斯特金电磁铁装置进行了一些革新，用绝缘导线代替裸铜导线。1822年，法国人阿拉戈和盖·吕萨克发明电磁铁，即用电流通过绕线的方法使其中的铁块磁化。1821年9月，法拉第发现通电的导线能绕永久磁铁旋转及磁体绕载流导体的运动。

1820年，丹麦物理学家奥斯特发现了电流磁效应，随后安培通过总结电流在磁场中所受机械力的情况提出了安培定律。1826年，德国物理学家欧姆提出电路实验定律——欧姆定律。资讯二汽车驱动电机的发展历史

1.直流电机的发展历史1831年，法拉第发现电磁感应现象之后不久，又利用电磁感应发明了世界上第一台真正意义上的电机——法拉第圆盘发电机，如图3-4所示。同年夏天，亨利对法拉第的电机模型进行了改进，制作了一个简单的装置（振荡电机）。资讯二汽车驱动电机的发展历史图3-4法拉第圆盘发电机1832年，斯特金发明了换向器,并制作了世界上第一台能产生连续运动的旋转电机。

1832年，法国人皮克西在巴黎公开了一台永久磁铁型旋转式交流发电机。1854年，丹麦人赫尔特发明了自激式电机。1857年，惠斯通发明了自激电磁铁型发电机。1845年，英国物理学家惠斯通用电磁铁代替永久磁铁，这是增强发电机输出功率的一个重要措施。1865年，意大利物理学家帕其努悌发明了环状发电机电枢。资讯二汽车驱动电机的发展历史资讯二汽车驱动电机的发展历史1866年，西门子的创始人维尔纳·冯·西门子（W.vonSiemens，1816—1892）制成直流自激、并激式发电机。1870年，格拉姆（Z.T.Gramme，1826—1901）将T形电枢绕组改为环形电枢绕组，发明了直流发电机，被人们誉为“发电机之父”。1873年，德国西门子公司研究发电机的工程师阿特涅用“鼓卷”的方式制成了性能更好的发电机。1873年，英国物理学家麦克斯韦完成了经典电磁理论基础著作《电和磁》，电机绕组发展为鼓型绕组，直流电机具备了现代直流电机的基本形式。1880年，霍普金森确立了磁路欧姆定律。1880年，爱迪生观察到用叠片铁心可以减少温升和能耗。1882年，人们把目光转向交流电机。美国人戈登制造出了输出功率为447kW、高3米、重22吨的两相式巨型发电机。1891年，阿诺尔德建立了直流电枢绕组理论。资讯二汽车驱动电机的发展历史资讯二汽车驱动电机的发展历史2.交流电机的发展历史1824年，尼古拉·特斯拉（1856—1943）发明了单相交流发电机。1876年，出现了原始形式的同步发电机和变压器。1882—1885年，匈牙利工程师代里等3人首创变压器。1884年，闭合磁路的变压器制成，并推广使用。1886年，尼古拉·特斯拉也制成两相绕线式交流异步电机模型，1888年又发明了交流电机。它是根据电磁感应原理制成的，又称感应电机，这种电机结构简单，使用交流电，无须整流，无火花，如图3-5所示。1889年，多利沃-多布罗沃利斯基提出了三相制并制成鼠笼式交流异步电机。1902年，瑞典工程师丹尼尔森首先提出同步电机构想。资讯二汽车驱动电机的发展历史图3-5交流电机

3.电动汽车驱动电机的发展历史面对金融危机、油价高涨和日益严峻的节能减排压力，大力发展新能源汽车成为世界汽车工业竞争的一个新焦点。近几年，我国政府也接连出台新能源汽车相关政策，尤其是“十二五”规划将新能源汽车确立为七大战略性新兴产业之一，中国电动汽车产业进入蓬勃发展的春天。资讯二汽车驱动电机的发展历史

3.电动汽车驱动电机的发展历史面对金融危机、油价高涨和日益严峻的节能减排压力，大力发展新能源汽车成为世界汽车工业竞争的一个新焦点。近几年，我国政府也接连出台新能源汽车相关政策，尤其是“十二五”规划将新能源汽车确立为七大战略性新兴产业之一，中国电动汽车产业进入蓬勃发展的春天。资讯二汽车驱动电机的发展历史

3.电动汽车驱动电机的发展历史电动汽车最早采用了直流电机系统，特点是成本低、控制简单，但质量大，需要定期维护。随着电力电子技术、自动控制技术、计算机控制技术的发展，包括异步电机及永磁电机在内的交流电机系统体现出比直流电机系统更加优越的性能，目前已逐步取代了直流电机控制系统。特别是借助于设计方法、开发工具及永磁材料的不断进步，用于驱动的永磁同步电机得到了飞速发展。资讯二汽车驱动电机的发展历史

3.电动汽车驱动电机的发展历史电动汽车中常用的交流电机主要有异步式、永磁式、开关磁阻式三大类型。日本丰田公司的Prius采用的永磁同步电机的功率已达到50kW，新配置的SUV车型所用电机功率甚至达到了123kW。与普通工业用驱动电机系统及通用变频器不同，电动汽车用驱动电机系统的特点是高性能、高速宽恒功率、高功率密度、高可靠性、系统高效、低速大转矩，低成本、低污染和良好的环境适应性。资讯二汽车驱动电机的发展历史1.发展趋势纯电动汽车中，三合一驱动系统车型将得到应用，但市场份额比较有限。最大的挑战在于电动车型对传统车型的替代速度不够快。在电池技术突破不及预期的情况下，经济适用型的纯电动汽车仍然是电动车型的主角。值得一提的是，从新能源汽车推广力度来看，纯电动汽车推广力度大于插电混合车型。随着城市交通管理的日趋严格和限行限购区域扩大，政策导向对新能源汽车尤其是纯电动车的市场的影响力仍然较大。资讯三新能源汽车及驱动电机的发展趋势1）集成化随着技术的进步，新能源驱动系统表现出集成化趋势，主要体现在通过驱动电机和传统部件深度集成在满足效果的同时控制驱动系统体积。为了最大可能节约布置空间，同时尽可能降低油耗，三缸发动机在前置前驱方案中得到了大量的应用，现有的发动机和变速箱组合也需要重新开发。2）高效化驱动系统还表现出高效率趋势。高效率的实现不仅体现在单个部件的高效率，而且体现在多个部件输出特性低效率区间互补使得系统效率提升，同时辅以能量回收功能。由于电机拥有低速大转矩的良好表现，多挡位变速箱在纯电驱动系统中就变得不再重要，进而转向单级或双级减速器。资讯三新能源汽车及驱动电机的发展趋势3）高压化驱动系统表现出高压化趋势。随着整车电压的提升，驱动电压也随之提升，高电压使得驱动系统表现出高速化和小型化，符合未来驱动系统发展方向，如图3-6所示。资讯三新能源汽车及驱动电机的发展趋势图3-6电驱动发展趋势预测分布式驱动是未来驱动的发展趋势，但现在受制于已有底盘形式，尤其是在制动、转向和悬架部分存在较大的适配性挑战，因此目前仅在商用车和军工车辆上有少量的应用（见图3-7），乘用车领域应用较少。资讯三新能源汽车及驱动电机的发展趋势图3-7分布式驱动应用案例目前就单个电机电控而言，未来技术趋势主要体现在功率密度和频率的提升。如电机由现在的圆线电机逐步向扁线电机过渡，冷却方式逐渐由水冷向油冷过渡。电控主要逐步向高压、高频发展，由IGBT向MOSFET（场效应晶体管）过渡。资讯三新能源汽车及驱动电机的发展趋势驱动电机型号由驱动电机类型代号、尺寸规格代号、信号反馈元件代号、冷却方式代号和预留代号五部分组成，如图3-8所示。资讯四新能源汽车驱动电机的型号规则图3-8驱动电机型号1.驱动电机类型代号驱动电机类型代号使用两个字母来代表驱动电机的类型。其代号含义如下。KC——开关磁阻电机；TF——方波控制型永磁同步电机；TX——正弦控制型永磁同步电机；YR——异步电机（绕线式）；YS——异步电机（鼠笼式）；ZL——直流电机。资讯四新能源汽车驱动电机的型号规则2.尺寸规格代号尺寸规格代号一般采用定子铁心的外径来表示，对于外转子电机，采用外转子铁心外径来表示。如图3-8所示电机的定子铁心外径为115mm。3.信息反馈元件代号信息反馈元件即转子位置传感器，其代号含义如下。M——光电编码器；X——旋转变压器；H——霍尔元件。无传感器不必标注。图38所示电机使用的转子位置传感器为光电编码器。资讯四新能源汽车驱动电机的型号规则4.冷却方式代号根据不同的冷却方式进行标注，其代号含义如下。S——水冷方式；Y——油冷方式；F——强迫风冷方式。非强迫冷却方式（自然冷却）不必标注。图3-8所示电机使用的为水冷方式。5.预留代号三位预留代号用英文大写字母或阿拉伯数字组合，其含义由制造商自行确定。资讯四新能源汽车驱动电机的型号规则

结合以上内容，分析对新能源汽车驱动电机的发展历史与趋势的认知，学生分组，每个小组各自查资料、讨论，制订实训计划，见表3-2。三、决策与计划四、实施小组分工合作，按照所制订的新能源汽车驱动电机的发展历史与趋势的认知计划，对新能源汽车驱动电机的发展历史与趋势进行认知。五、检测与评估综合整个学习过程，对学生的表现进行成绩评定。可采用学生互评、教师评价相结合的方式。情景小结本情境主要介绍了汽车电气化的历史，介绍了汽车驱动电机的发展历史，介绍了新能源汽车及驱动电机的发展趋势，介绍了新能源汽车驱动电机的型号规则等内容。

知识拓展3电机技术发展现状目前驱动电机主要分为直流电机、交流电机及轮毂电机等；其中，直流和交流电机又可进一步划分。目前行业对交流异步电机、永磁同步电机及开关磁阻电机关注度较高。永磁同步电机具有效率高、转速范围宽、体积小、重量轻、功率密度大、成本低等优点，成为纯电动乘用车市场的主要驱动电机。从行业配套来看，新能源乘用车主要使用的是交流感应电机和永磁同步电机。其中，永磁同步电机使用较多，因其转速区间和效率都相对较高，但是需要使用昂贵的系统永磁材料钕铁硼；部分欧美车系采用交流感应电机，主要因为稀土资源匮乏，同时出于降低电机成本考虑，其劣势主要是转速区间小，效率低，需要性能更高的调速器以匹配性能。

知识拓展3在技术指标方面，国内电机与国外电机相比尚存在以下几方面的差距：①峰值转速峰值转速是驱动电机的重要指标，也是目前国内驱动电机较之国外电机差距最为明显的指标。国内绝大部分永磁同步电机的峰值转速在10000rpm以下，而国外基本在10000rpm以上。②功率密度虽然国内电机在功率方面基本能够达到国际水平，但是在同功率条件下存在重量劣势，因此功率密度较之国际水平存在较大差距。目前，国内的永磁同步电机功率密度多处于1～2kw/kg区间内，与2020年3.5kw/kg的目标值存在较大差距。③效率在电机效率方面，国内电机的最高效率均达到94%～96%，已达到西门子、Remy等企业的水平。但是在高效区面积方面，如系统效率大于80%的区域占比方面尚存在一定差距。我国电机的高效区面积占比集中在70%～75%，而国外电机基本达到80%。④冷却方式电机的冷却方式已经从自然冷却逐步发展为水冷，目前国内电机企业采用水冷为主，国外先进的电机企业已经发展到油冷电机。国内部分电机企业也研发出油冷电机，如精进等，使电机的冷却效率得到进一步提升。

知识拓展4永磁同步电机的发展瓶颈当前因纯电动乘用车以永磁同步电机为主要技术路线，故如何进一步提升其性能成为行业重点问题。目前，永磁同步电机面临以下几方面的技术难点：①功率密度功率的提升有两种途径，一种是提高扭矩，另一种是提高转速。前者主要问题是过载电流加大，造成发热量高，给散热造成较大压力；后者是高速时铁磁损耗大，需采用高性能低饱和硅钢片，从而使成本提高；或采用复杂的转子结构，但影响功率密度。②材料方面永磁材料也是制约永磁同步电机性能提升的重要因素，目前常用的永磁材料钕铁硼主要存在温度稳定性差、不可逆损失和温度系数较高以及高温下磁性能损失严重等缺点，从而影响电机性能。③生产工艺永磁同步电机在生产工艺方面的难点是制约大规模配套乘用车的重要因素。因为永磁同步电机生产企业缺乏产业化的积累，国内企业生产不良率较高，无法达到乘用车企业的不良率要求，尤其是随着纯电动乘用车市场规模的扩大，十万级的年产量给永磁同步电机带来了巨大的挑战。

知识拓展5轮毂电机的发展①技术现状轮毂电机最早于1900年由保时捷搭载到纯电动汽车上，经过100多年的发展，不仅众多美系、日系主机厂增加对轮毂电机的开发，电机公司（如英国Protean公司、法国TM4公司等）和轮胎企业（米其林公司、普利司通公司）也开